التنفس والتخمر: التحلل السكري وحلقة كريبس والفسفرة التأكسدية والتخمر ومردود الطاقة - السنة الثالثة ثانوي

الميتوكوندري هي «بيوت الطاقة» في الخلية، تركب جزيئات ⁦ATP⁩ بكميات كبيرة لسد حاجات العضوية. وهي مقر التنفس الخلوي، الوحدة الثانية في برنامج العلوم الطبيعية للسنة الثالثة ثانوي. وعليك فيه أن تعرف مراحل التنفس الثلاث ومقر كل مرحلة وناتجها، وأن تقارنها بـ التخمر. تعرض هذه الصفحة المعادلة الإجمالية، ثم التحلل السكري، ثم الخطوة التحضيرية وحلقة كريبس، ثم الفسفرة التأكسدية، ثم التخمر، ثم المقارنة، وتنتهي بأخطاء متكررة وأسئلة محلولة.

ما التنفس؟

التنفس ظاهرة حيوية يتم فيها هدم كلي للمادة العضوية (الغلوكوز) بوجود الأكسجين، بواسطة إنزيمات تنفسية، وتحرر كمية كبيرة من الطاقة. والمعادلة الإجمالية:

⁦C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O → 6CO₂ + 12H₂O⁩

مع تحرير طاقة. أي أن الغلوكوز يتأكسد كليًا إلى ⁦CO₂⁩، والأكسجين يُختزل إلى ماء.

وهذه الطاقة تتوزع كما يلي: جزء كبير نحو 60% يضيع على شكل حرارة، وجزء نحو 40% يُخزّن في جزيئات ⁦ATP⁩ قابلة للاستعمال.

مراحل التنفس الثلاث

1) التحلل السكري (في الهيولى)

يحدث في هيولى الخلية دون أكسجين. يتحول جزيء الغلوكوز (6 ذرات كربون) إلى جزيئتين من حمض البيروفيك (3 ذرات كربون لكل منهما). وينتج:

• 2 ATP (حصيلة صافية).
• 2 NADH,H⁺ (ناقل مختزل).

2) الخطوة التحضيرية وحلقة كريبس (في حشوة الميتوكوندري)

يدخل حمض البيروفيك إلى الميتوكوندري، فتحدث خطوة تحضيرية: يفقد جزيء ⁦CO₂⁩ ويتحول إلى مجموعة أسيتيل ترتبط بالإنزيم المرافق A، وينتج ⁦NADH,H⁺⁩. ثم تدخل مجموعة الأسيتيل حلقة كريبس (حلقة حمض الستريك) التي تكمل هدم المادة العضوية إلى ⁦CO₂⁩، وتنتج كميات من النواقل المختزلة ⁦NADH,H⁺⁩ و⁦FADH₂⁩ ومقدارًا قليلًا من ⁦ATP⁩.

وهنا يتحرر ⁦CO₂⁩ الذي نطرحه في الزفير.

3) الفسفرة التأكسدية (على الغشاء الداخلي للميتوكوندري)

• سلسلة التنفس: تفقد النواقل المختزلة (⁦NADH,H⁺⁩ و⁦FADH₂⁩) إلكتروناتها لنواقل على الغشاء الداخلي، وتنتقل الإلكترونات من ناقل إلى آخر.
• المستقبل النهائي: الإلكترونات تصل أخيرًا إلى الأكسجين ⁦O₂⁩ الذي يتحد مع ⁦H⁺⁩ فيتكون الماء.
• تدرج البروتونات: أثناء الانتقال تضخ النواقل البروتونات من الحشوة إلى الحيز بين الغشاءين، فيتولد تدرج.
• ATP سنتاز: تعود البروتونات عبر هذا الإنزيم فيتشكل ⁦ATP⁩ من ⁦ADP + Pi⁩، وهو أكبر كمية ⁦ATP⁩ ينتجها التنفس.

والحصيلة الطاقوية الكلية للتنفس عن كل جزيء غلوكوز هي بضع عشرات من جزيئات ⁦ATP⁩ (نحو 36 إلى 38 بحسب المرجع).

التخمر

حين ينعدم الأكسجين لا يمكن للميتوكوندري إتمام التنفس. فيحدث التخمر في الهيولى:

• يحدث التحلل السكري كما سبق: غلوكوز يتحول إلى بيروفات مع ⁦2 ATP⁩ و⁦2 NADH,H⁺⁩.
• يختزل البيروفات بواسطة ⁦NADH,H⁺⁩ فيتجدد ⁦NAD⁺⁩ اللازم لاستمرار التحلل السكري.

وله نوعان:

• التخمر الكحولي: (الخميرة) البيروفات تعطي إيثانول و⁦CO₂⁩.
• التخمر اللبني: (العضلات، بعض البكتيريا) البيروفات تعطي حمض اللبن.

وحصيلته قليلة جدًا: جزيئتا ⁦ATP⁩ فقط لكل جزيء غلوكوز، لأن الهدم جزئي والمركب الناتج لا يزال غنيًا بالطاقة.

المقارنة

أخطاء شائعة

• القول إن التنفس يتم كله في الميتوكوندري. التحلل السكري في الهيولى.
• القول إن الأكسجين يدخل في حلقة كريبس. هو يعمل في السلسلة التنفسية كمستقبل أخير.
• القول إن ⁦CO₂⁩ يتشكل في السلسلة التنفسية. يتشكل في الخطوة التحضيرية وحلقة كريبس.
• نسيان دور ⁦ATP⁩ سنتاز في تركيب ⁦ATP⁩.
• القول إن التخمر يتم في الميتوكوندري.
• نسيان أن نسبة 60% من الطاقة تضيع حرارة.

أسئلة للتدرب

1. اكتب المعادلة الإجمالية للتنفس.
2. ما مقر كل مرحلة من مراحل التنفس؟
3. ما دور الأكسجين في الميتوكوندري؟
4. ما سبب قلة الطاقة الناتجة في التخمر؟
5. ما الفرق بين التخمر الكحولي واللبني؟

الأجوبة النموذجية:

1. ⁦C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O → 6CO₂ + 12H₂O⁩ مع تحرير طاقة.
2. التحلل السكري في الهيولى، وحلقة كريبس في حشوة الميتوكوندري، والفسفرة التأكسدية على غشائها الداخلي.
3. هو المستقبل الأخير للإلكترونات فيتحول إلى ماء.
4. لأن الهدم جزئي وبقاء جزء من الطاقة في الجزيء الناتج.
5. الكحولي ينتج إيثانول و⁦CO₂⁩، واللبني ينتج حمض اللبن فقط.

الشرح المصوّر

لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، تقدم الأستاذة زينة كتفي شريف في فيديو «ملخص التنفس والتخمر، البكالوريا شعبة العلوم التجريبية» هذا الدرس في نحو ثلاثين دقيقة، وفيه تلخص مراحل التنفس الثلاث: التحلل السكري وحلقة كريبس والفسفرة التأكسدية، وتذكر المعادلة الإجمالية ونسبة الطاقة الضائعة حرارة، ثم تمر إلى بعض أفكار التمارين.

وللتوسع، اطلع على هذين الملفين في الموقع:

• دروس على شكل بطاقات عملية في وحدة التنفس والتخمر
• الوحدة 2 النشاط 2: مقر الأكسدة التنفسية